Современные технологии центрифуг со сплошным барабаном

Технология центрифугирования со сплошным барабаном

Рис. 1 Схематическое изображение центрифуги со сплошным барабаном

Горизонтальный ротор центрифуги (барабан), выделенный на рисунке красным цветом, приводится в движение главным двигателем с правой стороны и обеспечивает быстрое вращение, при котором подаваемая взвесь ускоряется и формирует жидкое кольцо внутри ротора после закачки в центрифугу через неподвижную подающую трубу. Частицы во взвеси оседают внутри ротора, а жидкость проходит через центрифугу и вытекает через переливные перегородки на торцевой стенке слева. Центрифуга со сплошным барабаном оснащена внутренним шнеком (внутренний ротор со шнеком), который соединен с наружным ротором через редуктор с высоким крутящим моментом (выделен оранжевым цветом). Центральный вал редуктора соединен с двигателем слева, что позволяет задавать и контролировать дифференциальную скорость между шнеком и ротором. Вращающийся с дифференциальной скоростью шнек перемещает отделенные твердые частицы к коническому торцу, где они выходят из центрифуги в радиальном положении, недоступном для жидкости (Madsen 2017).

Уплотнение и обезвоживание твердых частиц

В первоначальной конфигурации центрифуг со сплошным барабаном твердые частицы обезвоживались во время их перемещения шнеком из отстойника жидкости в направлении вдоль конической секции к отверстиям для выпуска твердых частиц, позволяя жидкости стекать обратно в отстойник. Эта ситуация показана в верхней части рис. 2, где глубина отстойника была очень мала (мелкий отстойник), что обеспечивало длинную зону дренажа. Для крупных частиц с высокой проницаемостью дренаж работает эффективно, однако производительность снижается при наличии мелких частиц в кеке.

Рис. 2 В верхней половине показан мелкий отстойник, в нижней — глубокий отстойник.

Для взвесей с содержанием мелких частиц предпочтительнее использовать более глубокий отстойник, как показано в нижней части на рис. 2. В более глубоком отстойнике нагрузка от покрывающего слоя твердых частиц может использоваться для уплотнения или консолидации твердых частиц перед их перемещением в коническую секцию, при этом дренаж для достижения высокой концентрации твердых частиц больше не требуется. Дальнейшее развитие действия глубокого отстойника показано на рис. 3, где была добавлена дисковая перегородка, позволяющая работать при радиальном размещении уровня поверхности жидкости внутри радиуса выгрузки твердых частиц. Это позволяет укладывать твердые частицы в еще более толстый слой для большего радиального уплотнения, а также обеспечивает гидравлическое давление, поддерживающее механическое перемещение твердых частиц к отверстиям для их выгрузки. Это решение особенно полезно для кека с низкой проницаемостью, а также не позволяет жидкости пройти через кек в отверстия для выгрузки твердых частиц.

Рис. 3 Дисковая перегородка (показана красным цветом) позволяет работать с очень глубоким отстойником.

Надежность и время безотказной работы центрифуги со сплошным барабаном.

Lynx Endurance представляет собой современную конструкцию центрифуг со сплошным барабаном, основанную на технологии глубокого отстойника и изготовленную из высокопрочных материалов. Одна такая установка была установлена для обезвоживания шламов на возвышенной конструкции. После сепарации в центрифуге твердые частицы сбрасываются в виде кека на шнек, расположенный под центрифугой. Шнек выталкивает твердый кек, формируя отвал, который затем перемещается на ближайшую площадку для хранения хвостов с помощью землеройного оборудования и самосвалов. Центрифуга со сплошным барабаном обеспечивает непрерывное обезвоживание и удаление шлама, а фильтрат возвращается в расположенный выше по потоку сгуститель для восстановления воды. Установленная центрифуга отработала более 20 000 часов без необходимости капитального ремонта, что позволило снизить эксплуатационные затраты на руднике. С точки зрения эксплуатационной готовности оборудования и времени безотказной работы завода сейчас это считается надежной технологией.

Осмотр вращающегося узла

Спустя примерно 8000 часов работы центрифугу разобрали, а ее вращающийся узел, состоящий из сплошного барабана, внутреннего шнека и редуктора, был отправлен в мастерскую для осмотра и обслуживания. После очистки вращающийся узел выглядел практически новым, при этом минимальный износ был обнаружен на смачиваемых частях, подверженных воздействию абразивного шлама. На шнеке было обнаружено всего 30 плиток из карбида вольфрама (из 720) со сколами или трещинами, которые требовали замены. Изображения вращающегося узла и шнека представлены на рис.4а и 4b. Подшипники на обоих концах барабана и редуктор находились в хорошем механическом состоянии. Тем не менее, спустя 8000 часов эксплуатации подшипники были заменены согласно регламенту по основному обслуживанию центрифуг.

(A) (B) 

Рис. 4 (a) Вращающийся узел; (b) Шнек

Надежная механическая конструкция Lynx Endurance

Рудные шламы содержат эрозионные твердые частицы, поэтому для надежной работы центрифуги необходима надежная защита от эрозии. Несмотря на наличие определенной защиты от эрозии в большинстве центрифуг со сплошным барабаном, Alfa Laval подняла этот стандарт на новый уровень, добавив дополнительные защитные меры для удовлетворения требований к долговечности и надежности в горнодобывающей отрасли, что показано на рис. 5.

Рис. 5 Схематическое изображение подверженных износу зон внутри центрифуги со сплошным барабаном

Дополнительная защита от износа зоны подачи

Из-за высокой скорости вращения барабана в зоне подачи центрифуги шлам ускоряется. Поэтому крайне важно, чтобы вся зона подачи была защищена устойчивым к эрозии материалом, особенно при наличии эрозионных твердых частиц в шламе. В линейке центрифуг со сплошным барабаном Lynx Endurance от Alfa Laval зона подачи из карбида вольфрама полностью защищена. Система впуска Esbjerg состоит из профилей с осевой симметрией, как показано на рис. 6. Подаваемый продукт ускоряется по поверхности профилей и выбрасывается в барабан через впускной зазор. Это обеспечивает эффективное, но при этом достаточно мягкое ускорение подачи, что позволяет снизить силы сдвига, способные разрушить агломерированные частицы или хлопья и привести к падению качества сепарации в центрифуге.

Рис. 6 Полностью закрытая зона подачи из карбида вольфрама, запатентованная Alfa Laval

Защита стенки барабана от износа

Полосы из стеллита и (или) карбида вольфрама на стенке барабана, показанные на рис. 7, защищают ее от эрозии. Эти полосы также способствуют эффективной транспортировке твердых частиц. По сравнению с традиционными моделями центрифуг со сплошным барабаном, в модели Lynx Endurance от Alfa Laval используется на 50 % больше полос. Кроме того, для оптимизации производительности коническая зона в направлении выгрузки твердых частиц выполнена с уникальной комбинацией углов, специально разработанной для рудных шламов.

Рис. 7 Защита стенок барабана с помощью полос из стеллита и (или) карбида вольфрама

Защита лопастей шнека от износа

В различных моделях центрифуг со сплошным барабаном используются разные уровни защиты лопастей шнека. Защита варьируется от голого металла и пламенного напыления карбида вольфрама до защиты высокой степени плитками из карбида вольфрама. В зависимости от степени эрозии, каждый тип подходит для разных условий эксплуатации. Шнек в центрифуге со сплошным барабаном модели Lynx Endurance оснащен плитками из спеченного карбида вольфрама, как показано на рис. 8а. Шнек облицован плиткой по всей длине лопастей, что обеспечивает высокий уровень защиты, необходимый при обезвоживании рудных шламов. По итогам эксплуатации полностью облицованные плиткой шнеки оказались в пять раз выше устойчивее к эрозии, чем защищенные пламенным напылением. Степень износа различных видов защиты от износа демонстрируется на рис. 8b.

(A)

Типы защиты от износа центрифуг со сплошным барабаном

(B)

Степень износа по стандарту ASTM G65 A [мм3]

Выгрузка твердых частиц на 360°

Конструкция Lynx Endurance предусматривает выгрузку твердых частиц на 360°, при этом из малого конца втулки выступают несколько лучей. Лучи защищены от износа «седлами» из карбида вольфрама. Край барабана защищен износостойкой накладкой, также оснащенной ободком для перелива (радиус выгрузки твердых частиц) по всему направлению касательной. Выгрузка на 360° устраняет ограничения на выгрузку кека из барабана после его транспортировки к выходу. Это крайне важно, учитывая высокую плотность и твердость кека, получаемого при обезвоживании горного шлама, который в противном случае может заблокироваться, если не обеспечить максимальную выгрузку твердых частиц.

Взаимодействуя с заинтересованными представителями горнодобывающей промышленности, мы выяснили, что статей, посвященной сравнению затрат на жизненный цикл различных технологий, применяемых для осушения хвостов, очень мало. Данный документ является попыткой заполнить этот пробел. Для его подготовки были собраны данные с одной из установок с центрифугой со сплошным барабаном, которая успешно эксплуатировалась более 20 000 часов для обезвоживания шламов, а также были собраны сведения о камерном фильтр-прессе, используемом в аналогичной области применения. Для проведения корректного сравнения авторы предполагают одинаковую производительность по хвостам в 300 сухих тонн в час для каждой из упомянутых выше технологий обезвоживания. При 80 % загрузке предприятия объем производства хвостов составляет 1,6 млн тонн в год. Считается, что срок службы каждой установки составляет 20 лет, что означает суммарную утилизацию 32 млн тонн сухих хвостов. Расчеты на основе существующей установки с центрифугой со сплошным барабаном с диаметром барабана 1000 мм показывают, что для обезвоживания хвостов с производительностью 300 сухих тонн в час потребуется 6 установок типа Lynx 100 Endurance. Для идентичной нагрузки предусмотрено использование 4 фильтр-прессов, при этом каждый из агрегатов состоит из 200 камер размером 2×2 метра. В обоих случаях предполагается, что концентрация в загустителе выше по процессу составляет 35 % по массе. Фильтры позволяют получить более сухой кек, содержащий 81–85 мас. % сухих веществ, а кек из центрифуг содержит 78–82 мас. %. Площадь для размещения шести таких центрифуг составляет примерно 400 кв. м, а для четырех фильтр-прессов — около 750 кв. м. Хотя центрифуги рассчитаны на использование до 96 %, для расчета в данном документе авторы предполагают использование на уровне 80 % для обоих случаев

Характеристики хвостов

Хвосты состоят на 80 % из шлама и на 20 % из крупных хвостов. Минералогический анализ показал содержание примерно 57–59 % железа в форме гематита с небольшим количеством кремнезема, глинозема, каолинита и других минералов. Согласно анализу гранулометрического состава, средний размер частиц составил: d50 — 5 мкм, d10 — 2 мкм и d90 — около 20 мкм. Кривые гранулометрического состава для обоих потоков сырья представлены на рис. 9.

 Рис. 9 Кривые гранулометрического состава для подаваемого сырья центрифуги со сплошным барабаном (зеленый) и для фильтр-пресса (красный)

Для оценки абразивных характеристик хвостов был проведен гибридный тест Миллера, разработанное компанией Alfa Laval, результатом которого стало среднее значение числа Миллера 450, указывающее на абразивность хвостов. Исходя из предыдущего опыта, число Миллера ниже 20 свидетельствует об отсутствии абразивности, а число свыше 40 единиц указывает на абразивность. Число Миллера между 20 и 40 указывает на легкую абразивность хвостов

Расчет массового баланса для центрифуги со сплошным барабаном

Проектная производительность центрифуги со сплошным барабаном Lynx 100 Endurance составляет до 250 м3/ч шлама хвостов, содержащего до 70–72 сухих тонн твердого вещества. Производительность варьируется в зависимости от таких характеристик хвостов, как плотность шлама, вязкость, разность плотностей, гранулометрический состав, минералогия и т. д. В данных условиях скорость подачи сырья в каждую центрифугу составляет 105 м3/ч с добавлением подходящего анионного флокулянта с дозировкой 70 г/т сухого веществ, что обеспечивает среднюю сухость кека 80 мас. % с содержанием твердого вещества в фильтрате менее 0,3 мас. %. Типовой массовый баланс для обезвоживания шламов показан на рис. 10. Следует учитывать, что расход флокулянта и сухость кека могут варьироваться в зависимости от характеристик подаваемого шлама. Используя центрифуги со сплошным барабаном, можно получить штабелируемый кек твердых веществ, как показано на рис. 11.

Рис. 10 Ожидаемый массовый баланс при обезвоживании шламов

Рис. 11 Штабелируемый кек твердого вещества, выгруженный из центрифуги со сплошным барабаном

Принцип работы

Фильтр-прессы работают в периодическом режиме, и в заданных условиях после нескольких циклов фильтрации фильтры необходимо промывать, чтобы обеспечить отсутствие твердых веществ на поверхностях полотна и уплотнительных пластин. А центрифуги со сплошным барабаном работают непрерывно круглые сутки каждый день, и обычно при их остановке проводится промывка. Можно также провести быструю промывку центрифуги, просто кратковременно приостановив подачу, при этом не останавливая работу центрифуги. В эту работу не включено подробное описание камерного фильтр-пресса, поскольку эта технология используется в горнодобывающей промышленности уже долгое время, и предполагается, что она известна заинтересованным сторонам.

Объем, рассматриваемый для оценки

В объем рассматриваемого оборудования барабанных центрифуг входят 6 насосов для подачи шлама хвостов, 2 насоса для фильтрата, 2 насоса промывочной воды, 6 центрифуг, 1 система подготовки и дозирования флокулянта, соответствующие системы управления, а также трубопроводы, клапаны, фитинги и т. д. Оборудование фильтр-прессов включает в себя 4 насоса подачи шлама хвостов, 4 насоса фильтрата, 2 насоса промывки коллектора, 3 насоса промывки ткани, 4 гидроагрегата, 1 систему струйной очистки высокого давления, 1 компрессор для прессования кека, 4 компрессора сухого воздуха, соответствующие системы управления, а также трубопроводы, клапаны, фитинги и т. д. Конвейеры для транспортировки и складирования сброшенного кека в кучи не входят в объем поставки. Как правило, под 6 центрифугами располагаются 1–2 ленточных конвейера в зависимости от их расположения, а для 4 фильтров предусмотрено 4 конвейера. Предполагается, что кек из куч транспортируется самосвалами на площадку для хранения хвостов. Смета расходов в основном подготовлена по итогам общения с заказчиками и ограничивается основными капитальными и эксплуатационными затратами на установку и эксплуатацию станции обезвоживания хвостов, не включая оборудование и операции выше или ниже по технологической цепочке.

Результаты и учитываемые факторы затрат

строительством (EPC).

Затраты, учитываемые при расчете эксплуатационных затрат, приведены в таблице 1.

Таблица 1 Затраты на основные позиции

Сравнение расчетных капитальных затрат

Согласно расчетным капитальным затратам для обоих вариантов, общие капитальные затраты на фильтровальную станцию оказались на 30 % выше, чем на систему центрифуг со сплошным барабаном. Разница в стоимости может варьироваться в зависимости от количества используемого оборудования, занятой им площади, конструкции здания и т. д. Как показано в расчетах на рис. 12, системы центрифуг со сплошным барабаном требуют меньших капитальных затрат

Рис. 12 Сравнение расчетных капитальных затрат

Сравнение расчетных эксплуатационных затрат

В таблице 2 приведены удельные показатели расхода в пересчете на сухие вещества (СВ), исходя из рабочих параметров и затрат на средства обеспечения, указанных в разделе "Сравнение расчетных капитальных затрат"

Таблица 2 Расчетный удельный расход на тонну сухих хвостов

Расход промывочной воды, указанный в таблице 2, рассчитывается как сумма следующих позиций: 

• промывка фильтровальной ткани согласно процедуре, описанной в принципах эксплуатации; 
• расход 6 долл. США/м2 на очистку струей высокого давления (Fränkle et al. 2023), выполняемую не реже одного раза в неделю.

Рис. 13 Сравнение расчетных эксплуатационных затрат  

Несмотря на то, что эксплуатационные затраты могут варьироваться в разных случаях в зависимости от условий эксплуатации и затрат на средства обеспечения, а также других затрат, преобладающих на разных рудниках, конкретно в этом случае расчетные эксплуатационные затраты на систему центрифуг Alfa Laval со сплошным барабаном оказались ниже на 21 % по сравнению с фильтр-прессами. Ключевыми факторами оказались более низкие затраты на техобслуживание благодаря надежной конструкции центрифуг со сплошным барабаном, меньший расход промывочной воды, а также более низкие затраты на рабочую силу, поскольку работа центрифуг менее трудоемка. Тем не менее, на фильтр-прессы расходуется меньше энергии, а также не требуется использовать подходящий флокулянт в подаваемом шламе.

Сравнение расчетной стоимости жизненного цикла  

Сравнение расчетных затрат в течение срока службы с учетом чистой приведенной стоимости на уровне 10 %, как показано на рис. 14, показывает, что использование центрифуг Alfa Laval со сплошным барабаном экономически более выгодно в сравнении с фильтр-прессами. Расчетная стоимость тонны сухого вещества составляет 1,83 долл. США для центрифуги со сплошным барабаном и 2,38 долл. США для фильтр-пресса.

Рис. 14 Сравнение расчетной стоимости жизненного цикла 

Данное исследование показывает, что технология центрифуг со сплошным барабаном, достигла такой степени развития, что может считаться жизнеспособным вариантом технологии осушения хвостов для горнодобывающей промышленности, не только поддерживающей решение ряда экономических, экологических, социальных и управленческих вопросов, но и являющейся экономически эффективной с точки зрения капитальных и эксплуатационных затрат. В зависимости от свойств кека, выгружаемого из центрифуги, его можно утилизировать путем сухого складирования, либо утилизировать совместно с отсеянной крупной фракцией. Центрифуга со сплошным барабаном позволяет также получать густой перекачиваемый осадок, если на руднике необходимо хранить хвосты пастообразной консистенции. Эта технология проходит испытания или используется для обезвоживания хвостов в ряде различных областей применений, например, глинозема, угля, меди, глины, железной руды, нефтеносных песков, фосфатов, редкоземельных элементов и т. д. Данный документ является попыткой провести количественную оценку преимуществ технологии центрифуги со сплошным барабаном, чтобы тем самым помочь лицам, принимающим решения, оценить экологически, социально и финансово устойчивые решения для обезвоживания хвостов.